ZigBee在牽引試驗(yàn)車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

郭海琦，倪少權(quán)

（西南交通大學(xué)交通運(yùn)輸信息技術(shù)研究所，成都 610031）

機(jī)車牽引試驗(yàn)是在新建線路投入運(yùn)營(yíng)、客貨列車提速、貨運(yùn)列車增加牽引噸位、司乘制度改革及機(jī)車交路變化等情況下所需進(jìn)行的一項(xiàng)基礎(chǔ)性技術(shù)工作，為鐵路部門的經(jīng)營(yíng)決策、制定運(yùn)輸方案、挖潛增效提供科學(xué)依據(jù)[1]。試驗(yàn)車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是試驗(yàn)車的核心系統(tǒng)。試驗(yàn)車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引運(yùn)營(yíng)試驗(yàn)的各類技術(shù)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集，動(dòng)態(tài)可視化顯示試驗(yàn)過(guò)程，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)分析處理。

現(xiàn)行的試驗(yàn)車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都是在機(jī)車上利用各種傳感器采集數(shù)據(jù)，直接由線纜通過(guò)通道箱傳輸?shù)皆囼?yàn)車，再通過(guò)A/D采集箱到采集工控機(jī)。由于采集的數(shù)據(jù)較多，采用有線傳輸方式，需要很多的線纜，給初始布線及以后的改造升級(jí)造成很大的困難。針對(duì)上述問(wèn)題，提出基于ZigBee技術(shù)搭建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，利用路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，可以有效實(shí)時(shí)地對(duì)機(jī)車各參數(shù)進(jìn)行采集和傳輸。如果將ZigBee技術(shù)很好地融入到試驗(yàn)車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，將會(huì)使機(jī)車牽引試驗(yàn)水平得到進(jìn)一步的提高。

1 ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低速率、低功耗、低成本和短時(shí)延的雙向無(wú)線通信技術(shù)，它是一種介于無(wú)線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案。ZigBee采用 IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)數(shù)據(jù)速率和QoS的要求不高，目標(biāo)市場(chǎng)是工業(yè)，利用全球共用的公共頻率 2.4 GHz，應(yīng)用于監(jiān)視、控制網(wǎng)絡(luò)時(shí)，其具有非常顯著的低成本、低耗電、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì)，目前被視為替代有線監(jiān)視和控制網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域最有前景的技術(shù)之一。

2 系統(tǒng)總體方案

根據(jù)ZigBee協(xié)議的規(guī)定，我們將定義3種類型的設(shè)備。分別為ZigBee 協(xié)調(diào)器，ZigBee 路由器和ZigBee 終端設(shè)備[2]。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

（1）ZigBee 協(xié)調(diào)器是啟動(dòng)和配置網(wǎng)絡(luò)的一種設(shè)備，可以保持間接尋址用的網(wǎng)絡(luò)表格，支持關(guān)聯(lián)，同時(shí)還能設(shè)計(jì)信任中心和執(zhí)行其他網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中正常工作以及保持同網(wǎng)絡(luò)其他設(shè)備的通信。在試驗(yàn)車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中扮演了中心節(jié)點(diǎn)的角色。

（2）ZigBee路由器，又叫做全功能節(jié)點(diǎn)（FFD），是一種支持關(guān)聯(lián)的設(shè)備，能夠?qū)⑾⑥D(zhuǎn)發(fā)到其它設(shè)備。在試驗(yàn)車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中扮演中間節(jié)點(diǎn)的角色。

（3）ZigBee終端設(shè)備，又叫做半功能節(jié)點(diǎn)（RFD），即集成了機(jī)車信息的采集及收發(fā)模塊，結(jié)合機(jī)車及試驗(yàn)車車上的環(huán)境和條件，基于ZigBee技術(shù)的試驗(yàn)車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)總體方案如圖1。

本系統(tǒng)是一個(gè)在局部范圍內(nèi)采用ZigBee的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，把機(jī)車上數(shù)據(jù)采集終端采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)路由器傳送到一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器中，最后由采集工控機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的顯示和處理。本系統(tǒng)包括：ZigBee數(shù)據(jù)采集終端，ZigBee路由器節(jié)點(diǎn)，ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和采集工控機(jī)4個(gè)部分。此外，終端采集到的數(shù)據(jù)到ZigBee協(xié)調(diào)器采用的是多跳方式傳輸，每個(gè)節(jié)點(diǎn)無(wú)線發(fā)射的功率不需要太大，因此可以有效地節(jié)約單個(gè)節(jié)點(diǎn)的能耗，平衡整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗。

3 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

3.1 節(jié)點(diǎn)模塊組成

本設(shè)計(jì)采用CC2430 模塊。CC2430 是一個(gè)系統(tǒng)芯片CMOS 解決方案，這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4 GHz ISM波段應(yīng)用對(duì)低成本、低功耗的要求。它包括了一個(gè)高性能的2.4 GHz DSSS（直接序列擴(kuò)頻）射頻收發(fā)芯片和一個(gè)工業(yè)級(jí)小巧高效的8051控制器。節(jié)點(diǎn)由3部分組成：數(shù)據(jù)采集終端如圖2，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)如圖3，路由器節(jié)點(diǎn)除了沒(méi)有LCD模塊外與圖3相同。

圖1 試驗(yàn)車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組網(wǎng)圖

圖2 數(shù)據(jù)采集終端硬件結(jié)構(gòu)

圖3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集終端由數(shù)據(jù)采集處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和電源管理單元組成。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)傳輸單元、數(shù)據(jù)處理單元、電源管理單元和顯示單元組成。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)為主控制器，對(duì)數(shù)據(jù)采集終端及路由器節(jié)點(diǎn)控制，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的初始化及維護(hù)，并用于接收終端采集到的數(shù)據(jù)。

3.2 節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)沒(méi)必要采用大功率的外接電源供電，僅采用兩節(jié)干電池供電即可，因?yàn)閷?duì)硬件器件的功耗要求較高，所以設(shè)計(jì)中大都采用高效率低功耗的元器件。

數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)主要包括4個(gè)芯片模塊：CC2430模塊（集成MCU和RF模塊）、電源模塊、JTAG（邊界掃描測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)組織）調(diào)試接口模塊和傳感器模塊。傳感器模塊負(fù)責(zé)機(jī)車數(shù)據(jù)的采集，根據(jù)采集數(shù)據(jù)的不同，需要安裝不同的傳感器。內(nèi)燃機(jī)車上需要采集主發(fā)電機(jī)電流、主發(fā)電機(jī)電壓、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、油溫和水溫等。電力機(jī)車需要采集網(wǎng)壓、勵(lì)磁、電流、電壓、輔壓等，共同部分有列車管壓力、機(jī)車牽引力、機(jī)車速度等[3]。一個(gè)或幾個(gè)有相似功能的傳感器對(duì)應(yīng)一個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，雙方可通過(guò)RS232通信。例如：將溫度傳感器安裝在油箱上，可一次測(cè)出測(cè)溫點(diǎn)的溫度值，利用傳感器內(nèi)部地址代碼及預(yù)先編制好的傳感器編碼，將測(cè)溫點(diǎn)的溫度值傳輸?shù)紺C2430，并將各測(cè)溫點(diǎn)的溫度值按每變化2℃記錄一次的方式記錄下來(lái)。由溫度傳感器采集的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)MCU處理后，通過(guò)RF模塊發(fā)送出去，而對(duì)終端節(jié)點(diǎn)的控制信號(hào)可以從CC2430的天線接收進(jìn)來(lái)，經(jīng)過(guò)判斷處理后， 通過(guò)相應(yīng)的通用I/O口對(duì)傳感器進(jìn)行相關(guān)控制。電源電路采用兩節(jié)5 號(hào)堿性干電池供電。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要包括4個(gè)芯片模塊：CC2430（集成MCU和RF 模塊）、電源模塊、JTAG調(diào)試接口模塊、LCD模塊。CC2430通過(guò)內(nèi)部的RF模塊將控制命令發(fā)送給其余各節(jié)點(diǎn)， 通過(guò)RF模塊接收終端節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)處理后通過(guò)RS232傳輸給采集工控機(jī)。LCD可實(shí)時(shí)顯示網(wǎng)絡(luò)的連接狀態(tài)，CC2430通過(guò)并口連接LCD模塊。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包含終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)。終端節(jié)點(diǎn)首先初始化CC2430，包括與串行口通信的基本設(shè)置等，然后程序初始化協(xié)議棧并打開(kāi)中斷，之后發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，等待網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器響應(yīng)，并給自己分配網(wǎng)絡(luò)地址。如果網(wǎng)絡(luò)加入成功，終端節(jié)點(diǎn)上的二極管被點(diǎn)亮。加入網(wǎng)絡(luò)成功后，等待中斷，響應(yīng)相應(yīng)的中斷。終端節(jié)點(diǎn)軟件流程圖如圖4。

圖4 終端節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)首先初始化CC2430和協(xié)議棧并打開(kāi)中斷，然后初始化一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。如果網(wǎng)絡(luò)初始化成功，可以在液晶屏上看到網(wǎng)絡(luò)初始化的一些信息。如協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的物理地址、己建立網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)ID號(hào)和頻道號(hào)等。隨后程序進(jìn)入中斷循環(huán)檢測(cè)和處理過(guò)程，查看是否有中斷信息的到來(lái)，如果是來(lái)自網(wǎng)絡(luò)中管理信息的響應(yīng)，例如：（1）一個(gè)節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)則會(huì)在液晶屏上顯示有新的終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，并顯示加入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的物理地址，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器會(huì)為其分配網(wǎng)絡(luò)地址，并給出相應(yīng)的應(yīng)答信號(hào)傳送此節(jié)點(diǎn)。（2）如果是網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)響應(yīng)，則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)處理，然后發(fā)送給工控機(jī)，并給該節(jié)點(diǎn)發(fā)送應(yīng)答信號(hào)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件流程圖如圖5。

圖5 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目根據(jù)實(shí)際需要完成了試驗(yàn)車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)和底層硬件與軟件的具體實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)充分利用了ZigBee 低速率、低功耗、低成本和自配置的特點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的可靠性，省去了大量的布線， 降低了系統(tǒng)在檢修及升級(jí)改造時(shí)期的復(fù)雜性，同時(shí)也降低了系統(tǒng)的成本。勢(shì)必在我國(guó)鐵路運(yùn)輸發(fā)展中得到廣泛應(yīng)用。

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